神经退行性疾病中的线粒体动力学——融合、裂变、运动和有丝分裂

摘要

神经元是代谢活跃的细胞，在远离细胞体的位置具有高能量需求。因此，这些细胞特别依赖线粒体功能，这反映在线粒体功能障碍疾病通常具有神经退行性成分。最近的发现突出表明，神经元尤其依赖线粒体的动态特性。根据几个标准，线粒体是动态的细胞器。它们参与重复的融合和裂变循环，从而混合线粒体中的脂质和内容物。此外，线粒体被积极地补充到亚细胞部位，例如神经元的轴突和树突状突起。最后，线粒体种群的质量是通过有丝分裂来维持的，这是一种有缺陷的线粒体选择性降解的自噬形式。我们回顾了线粒体动力学的一般特征，包括线粒体融合、分裂、转运和有丝分裂的最新发现。这些关键特征的缺陷与神经退行性疾病有关。Charcot-Marie-Tooth 2A型是一种外周神经病变，显性视神经萎缩是一种遗传性视神经病变，由线粒体融合原发性缺陷引起。此外，一些主要的神经退行性疾病，包括帕金森氏病、阿尔茨海默氏病和亨廷顿氏病，都会破坏线粒体动力学。值得注意的是，在一些疾病模型中，线粒体融合或裂变的操作可以部分拯救疾病表型。我们回顾了线粒体动力学在这些神经退行性疾病中是如何改变的，并讨论了线粒体融合、分裂、转运和有丝分裂之间的相互作用。

简介

在过去的十年里，我们对线粒体动力学的看法已经从一种奇怪的现象扩展到影响许多细胞功能并最终存活的整体细胞生物学过程(1,2)。线粒体曾经被认为是孤立的、结构僵硬的，现在被认为是构成细胞器群的一部分，这些细胞器在整个细胞中迁移、融合和分裂，并经历调节的周转。这些动态过程通过使线粒体补充到关键亚细胞隔室、线粒体之间的内容物交换、线粒体形状控制、线粒体与胞浆的通信和线粒体质量控制来调节线粒体功能。因此，线粒体可以很容易地适应细胞需求的变化，无论是由于生理或环境的需要。当线粒体动力学被破坏时，细胞功能障碍随之发生。这里我们讨论与线粒体动力学异常相关的人类疾病。

线粒体融合疾病：聚集现象

线粒体融合需要三种哺乳动物蛋白质(1)：Mfn1和Mfn2用于外膜融合，OPA1用于内膜融合(三,4)。小鼠敲除这三个基因中的每一个都会导致胚胎死亡和线粒体功能障碍(5–7)。中的突变Mfn2公司引起Charcot-Marie Tooth 2A型（CMT2A），这是一种影响远端感觉和运动神经元的周围神经病变(8)。中的突变OPA1（作战行动1）是常染色体显性视神经萎缩（DOA）的主要原因，DOA是导致视神经萎缩的视网膜神经节细胞变性(9,10)。一个经常被问到的问题是，为什么线粒体融合所需的两种蛋白质的突变会导致两种组织特异性如此不同的疾病。潜在答案包括Mfn2与OPA1之间的差异表达模式，OPA1之间功能差异(11)和Mfn2(12)，外膜融合缺陷与内膜融合缺陷的差异(4)Mfn1和Mfn2之间的冗余(6,13).

尽管所有这些解释都可能适用，但随着对其他受累家庭的研究，CMT2A和DOA的临床表现出现了更多重叠。除视神经萎缩外，一些DOA患者还出现其他症状，包括外周运动感觉神经病变。感觉神经性耳聋、脑萎缩、小脑共济失调、慢性进行性外眼肌麻痹、线粒体肌病和精神疾病也可能表现出来(14,15)。同样，一些CMT患者Mfn2公司基因突变可导致视神经萎缩、耳聋、认知功能障碍、大脑和小脑异常、声带麻痹、脊柱侧凸、帕金森综合征和精神疾病(16–21)。此外，即使在同一家族中，相同的突变（例如R94W）也可以产生大范围的表型。所以，修饰因子在决定疾病表现方面显然起着作用。事实上，一名患者患有OPA1（作战行动1）突变明显不伴有视神经萎缩，但表现为上睑下垂、听力损失、近端无力、精神疾病和肌肉线粒体功能障碍(22).

总之，这两种基因的突变OPA1（作战行动1）或Mfn2公司可以影响视觉和周围神经以外的广泛组织。DOA和CMT2A家族的重叠症状表明OPA1（作战行动1）和Mfn2公司突变可以以类似的方式影响某些组织。有趣的是，广泛的中枢神经系统受累和肌病让人想起mtDNA突变综合征。事实上，OPA1“plus”患者的肌肉细胞中确实存在线粒体DNA（mtDNA）缺失，这表明线粒体融合在维持线粒体DNA完整性方面发挥了作用(14,15).

线粒体分裂对功能的影响

正如在酵母（Dnm1）、苍蝇（Drp1）和植物（DRP3B）中一样，哺乳动物的线粒体分裂是由一种动力蛋白Drp1介导的(1)。Drp1是一种主要在细胞内溶解的蛋白质，在裂变期间被补充到线粒体中。在酵母中，这种补充明显依赖于线粒体外膜蛋白Fis1(2)。然而，在哺乳动物细胞中，Fis1的敲除阻止线粒体分裂，而不影响Drp1定位于线粒体(23)。最近的研究发现了另一种尾锚定的外膜蛋白Mff，它参与线粒体分裂。Mff的敲除导致线粒体伸长和对CCCP诱导的断裂的抵抗(24)。蓝色天然凝胶研究表明，Fis1和Mff存在于不同大小的复合物中，表明线粒体分裂的机制不同。Mff在Drp1募集到线粒体中的潜在作用尚待测试。

尽管目前还不知道这些基因突变会导致遗传性疾病，但有一例新生儿死亡归因于图纸1(25)。该患者携带一个显性负等位基因，导致长而大的线粒体核周缠结。症状包括视神经萎缩，尤其是小头，大脑发育异常和发育不全。血液中的乳酸水平升高，脑脊液（CSF）中的乳酸含量更高。肌肉和成纤维细胞显示出正常的呼吸功能，但鉴于脑脊液中乳酸浓度极高和大脑结构缺陷，神经元细胞似乎有可能出现电子传递链（ETC）异常。在细胞培养研究中图纸1在HeLa细胞中，导致细胞生长缓慢、线粒体DNA丢失、ETC解偶联、细胞呼吸减少和活性氧水平增加(26).

因此，像线粒体融合一样，分裂似乎是维持线粒体功能所必需的。然而，这些机制可能有所不同。融合可能通过为线粒体提供混合其内容物的机会来保护功能，从而实现蛋白质互补、线粒体DNA修复和代谢物的均匀分布。在细胞分裂过程中，分裂可能促进线粒体向子细胞的均等分离，并增强线粒体沿细胞骨架轨迹的分布。此外，裂变可能有助于分离受损线粒体片段，从而促进其自噬，如下所述(27)。当这些保护机制失效时，线粒体分裂也能促进细胞凋亡，这是一个被广泛评论的重要课题(28).

线粒体动力学的新兴方面

线粒体融合、分裂、运动和周转过程中的扰动会导致神经元的明显缺陷（图1)。然而，由于这四个过程是相互依存的，因此这些缺陷也有很大的重叠。这些过程之间的相互作用越来越受到重视，但我们对分子的理解仍然很少。

粒体自噬

自噬是细胞成分被吞噬到自噬体中而降解的过程。自噬体与溶酶体融合，溶酶体含有分解细胞成分的水解酶。在缺乏营养的过程中，这些产品可以被回收成更迫切需要的分子。尽管自噬在饥饿期间发挥着特别重要的作用，但它似乎也通过翻转细胞器和降解蛋白质聚集体在维持质量控制方面发挥着内务管理作用。线粒体吞噬是指线粒体通过自噬降解。尽管有丝分裂的存在已经有一段时间了，但线粒体是随机还是选择性地被靶向有丝分裂尚不清楚。

最近的几项发现表明，有丝分裂可以选择性地降解有缺陷的线粒体。在酵母细胞中，有丝吞噬是独立于大量自噬进行调节的(29)。肝细胞中被激光照射损伤的线粒体通过有丝分裂被选择性清除(30)。对胰腺β细胞和COS7细胞的研究表明，线粒体分裂可以产生不均匀的产物，一个去极化的子线粒体和一个超极化的线粒体(27)。这种去极化的线粒体不太可能融合，OPA1蛋白水平降低，最终成为自噬细胞。这种线粒体自噬依赖于融合的缺失和分裂的存在，因为OPA1过表达、Fis1 RNAi和Drp1显性负表达都降低了线粒体自噬的水平。当线粒体自噬受到损害时，氧化蛋白积累，细胞呼吸和胰岛素分泌减少。值得注意的是，尽管线粒体分裂对有丝分裂是允许的，但它并不是有丝分裂的充分信号(27,31).

线粒体运动

线粒体动力学的另一个超越融合和分裂的方面是线粒体的运动。这一方面对高度极化的细胞（如神经元）至关重要(32)它需要线粒体位于远离细胞体的位置，但对较小细胞的细胞功能也至关重要(33)。融合和裂变的缺陷都表明线粒体运动减少。据推测，在缺乏裂变的细胞中，高度互联的线粒体的大缠结阻止了有效的运动，特别是进入小的通路，如神经元过程(34,35)。在融合缺陷细胞中，运动能力下降的原因尚不清楚。然而，经验上，融合不足的线粒体表现出定向运动的丧失，而不是以一种让人想起布朗运动的方式徘徊(6)。在缺乏线粒体融合的神经元中，由于线粒体肿胀和聚集而增加的线粒体直径似乎阻碍了有效进入轴突，导致轴突和树突中线粒体缺乏(36)。这些缺陷会导致神经元发育不良或逐渐退化。

哺乳动物细胞中的线粒体运输主要基于微管(32)。顺行运动由驱动蛋白-1马达（KHC，Kif5b）驱动，该马达通过外膜蛋白Miro1和Miro2与线粒体相互作用(37)。在果蝇中，弥尔顿是一种调节米罗与驱动蛋白结合的衔接蛋白。局部高浓度的钙通过Miro的EF手起作用，阻止线粒体运动，从而将线粒体保留在ATP生成和钙的位置⁺⁺需要缓冲(38–40)。神经元中这种微粒体依赖性运输途径的丢失会导致树突和轴突的线粒体耗竭，导致长时间刺激时的神经传递缺陷(41).

这种线粒体运输装置如何与融合/裂变机制相互作用尚不清楚，但很可能涉及间接相互作用。酵母中Miro的缺失在不破坏线粒体融合或分裂的情况下极大地影响线粒体形态(42)。同样，在哺乳动物细胞中，操纵Miro可以显著影响线粒体形状(39,43,44)。线粒体逆行运输所必需的动力蛋白功能被破坏，Drp1在细胞质中被隔离，导致核周线粒体拉长(45)。因此，线粒体融合和分裂缺陷继发损害运动能力，反之，运输缺陷影响线粒体形态。然而，这种相互作用的机制仍有待确定。

与线粒体动力学有关的神经内分泌疾病

除了线粒体融合扰动引起的DOA和CMT2A等疾病外，线粒体动力学似乎通过与其他细胞过程的相互作用影响了多种人类疾病。其中许多疾病是神经退行性疾病，影响大脑的许多不同区域以及周围神经系统（图2)，再次强调了线粒体功能在维持神经元健康方面的重要性。

帕金森氏病

黑质多巴胺能神经元的逐渐丧失导致帕金森氏病（PD），这是人类第二常见的神经退行性疾病。最突出的PD症状包括静止性震颤、僵硬、运动迟缓和典型的步态不稳。化学和遗传证据都强烈表明线粒体参与。抑制ETC复合物I的药物在人类和动物模型中产生PD-like症状。大多数PD病例散发，病因不明。然而，约10%的PD病例是遗传的，连锁分析已经确定了一些PD相关基因。在遗传性帕金森病中发现的两个基因是Pink1和Parkin，这两个基因都被证明对线粒体完整性很重要(46)。Pink1是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，具有N-末端线粒体靶向序列，定位于线粒体和胞质溶胶。Parkin是一种细胞溶质E3泛素连接酶，具有两个环形指，含有半胱氨酸和组氨酸的蛋白质基序，用于协调锌离子。

哺乳动物Pink1和Parkin的研究因小鼠敲除很少表现型和不能再现PD的常见症状而变得复杂(47–49)。然而，这两种基因敲除小鼠的线粒体都表现出轻微的呼吸缺陷和对氧化应激的敏感性(47,49–51)。其他研究表明，Pink1缺失可能导致线粒体形态异常，但不同细胞类型的影响不同。人类多巴胺能神经元或小鼠原代神经元培养物中Pink1缺失会导致存活率降低，并伴有异常、肿胀的线粒体(52)。Pink1的线粒体^−/−尽管观察到大线粒体数量略有增加，但小鼠纹状体神经元未表现出明显的超微结构变化(50)。COS7细胞中Pink1的敲除也通过小管化增加线粒体大小。hFis1或Drp1过表达抑制了这种作用(53)。相反，据报道，帕金森病患者的成纤维细胞含有支离破碎的线粒体(54)。类似地，HeLa细胞和人类神经元SH-SY5Y细胞中Pink1的敲低会导致线粒体断裂，Parkin的过度表达会逆转这种效应(54,55).

尽管小鼠敲除Pink1或Parkin基因具有微妙的表型，但苍蝇中相应的突变体在多个组织中表现出严重的线粒体功能障碍(56–59)。这两个突变体非常相似，特征是飞行肌退化，线粒体肿胀，嵴断裂。双突变体具有相似的表型。Parkin过度表达可恢复肌肉完整性粉红色1突变体，但Pink1在停车场突变体没有效果。这些发现导致了Pink1和Parkin可能在同一途径中发挥作用的模型，Parkin位于Pink1的下游(56,58,59)。与此模型一致，有生化证据表明Pink1和Parkin之间存在直接相互作用(60).

Pink1/Parkin途径如何调节线粒体功能？最近对苍蝇的遗传学研究表明，Pink1和Parkin可促进线粒体分裂或抑制融合(53,61,62)。过度表达图纸1或下调马尔夫/Mfn2（哺乳动物Mfns的苍蝇同源物）或Opa1公司可以显著改善粉红色1或停车场突变体苍蝇，包括飞行肌肉退化、翅膀姿势异常和攀爬飞行缺陷。这些引人注目的观察结果表明Pink1/Parkin途径和线粒体动力学之间存在遗传相互作用。然而，一些观察结果表明，这种关系可能并不直接。例如，Pink1/Parkin与线粒体融合和裂变的上位关系并不简单。关于肌肉中的线粒体形态，drp1（数字参考1）,马尔夫和opa1突变是上位的粉红色1和停车场突变。然而，在睾丸线粒体中粉红色1突变对fzo公司突变(61)。此外，尽管粉红色1或停车场突变体有一些线粒体增大，这种形态学变化伴随着细胞凋亡的增加，与drp1（数字参考1）突变体。此外，合成致命相互作用在粉红色1-空，drp1（数字参考1）-杂合子苍蝇。这些数据表明，Pink1/Parkin在线粒体分裂或融合的简单线性途径中不起作用。

在PD研究中，Pink1和Parkin的功能解释因不同哺乳动物细胞系之间以及苍蝇和哺乳动物模型系统之间发现的线粒体形态缺陷的差异而变得复杂。这种复杂性在阿尔茨海默病（AD）和亨廷顿病（HD）（后来）的研究中也很明显。在某种程度上，这些差异可能表明Pink1和Parkin并不直接调节线粒体融合或裂变。线粒体形态高度依赖于线粒体生理学，因此很难解释线粒体形状的变化。尤其是，线粒体断裂的原因可能是间接的，因为它经常伴随着线粒体功能障碍。在秀丽隐杆线虫，RNAi筛查显示，80%以上的线粒体基因断裂导致线粒体断裂和/或聚集，表明这种形态表型是一种极为常见的表型，不一定表示对线粒体融合或分裂有特定影响(63).

最近的研究表明，Parkin通过有丝分裂参与线粒体的周转。Parkin被特异性招募到膜电位低的线粒体，这些靶向线粒体随后通过自噬体被破坏(31)。Parkin的线粒体积累依赖于电压，不依赖于pH或ATP水平的变化(64)。这些实验表明Parkin可能是线粒体完整性的传感器，并在功能障碍时触发线粒体吞噬。目前尚不清楚Pink1是否参与这一途径。敲除SH-SyY5Y细胞中的Pink1可导致线粒体断裂、线粒体靶向自噬体积聚和细胞死亡增加(55)。抑制Drp1可防止线粒体断裂和有丝分裂，但会加剧细胞死亡。然而，Parkin的共表达增加了线粒体吞噬，减少了细胞死亡，同时防止了线粒体断裂。在这种情况下，线粒体形态本身似乎不是决定细胞命运的关键组成部分。相反，线粒体群体的功能状态似乎控制着细胞结果。综上所述，这些结果表明Pink1保护线粒体功能，而Parkin通过消除功能失调的线粒体促进线粒体质量控制。在未来的研究中，重要的是测试PD患者Parkin缺陷细胞是否真的存在线粒体吞噬缺陷。

阿尔茨海默病

最常见的神经退行性疾病是AD，其特征是大脑皮层神经元死亡导致认知功能障碍和记忆丧失。受损大脑携带细胞内神经纤维缠结和细胞外淀粉样斑块，主要由淀粉样前体蛋白（APP）衍生的β-淀粉样蛋白（Aβ）组成。尽管AD的病理机制尚不清楚，但主要的假设是Aβ的过度生成会导致细胞毒性。过表达APP的转基因小鼠模型导致淀粉样斑块，与炎症细胞激活、局部神经元丢失和一些认知行为改变有关(65).

AD患者大脑线粒体结构异常(66)。Aβ可以定位于线粒体，这种相互作用被认为是其细胞毒性作用的部分基础(67,68)。神经元细胞暴露于稳定表达APP突变形式细胞的条件培养液中会导致线粒体分裂增加、树突状棘丢失，最终导致细胞死亡(69)。线粒体裂变的增加可追溯到S-亚硝基化Drp1（SNO-Drp1）水平的升高，这表明由于二聚作用增强，裂变活性增加。Drp1（C644A）是一种不能亚硝基化的突变体，其表达可以防止过度的线粒体分裂和神经元细胞损伤，而不会干扰正常的基础水平的线粒体分裂。此外，在AD患者和AD小鼠模型的大脑样本中发现SNO-Drp1水平增加。这些数据表明，Aβ的细胞毒性作用在一定程度上是由一氧化氮的生成导致Drp1活性激活所致。

相反，另一项研究发现，散发性AD患者的成纤维细胞表达较低水平的Drp1，并显示细长的线粒体，形成塌陷的核周网络(70,71)。然而，同一组研究人员发现，APP在M17神经母细胞瘤细胞中的过度表达导致线粒体碎片化，Drp1和OPA1水平降低，以及神经元分化缺陷(72)。过度表达Drp1或OPA1可以部分修复这些缺陷的不同方面。

亨廷顿氏病

纹状体和皮层神经元的逐渐丧失会导致HD患者的认知和运动损伤，最终导致死亡。虽然多个基因与PD和AD相关，但HD是一种常染色体显性疾病，由单个基因亨廷顿蛋白（Htt）内的三核苷酸扩张（胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤（CAG））引起。疾病与CAG扩张相关，导致谷氨酰胺在Htt中的残留量超过35。在HD患者和小鼠转基因HD模型中，一些证据表明突变Htt的表达与线粒体功能障碍有关(73)。例如，Htt表达与乳酸水平升高、线粒体膜电位降低、通过复合物II呼吸功能降低、线粒体钙摄取缺陷、线粒体流动性降低和线粒体超微结构改变相关。在动物模型中，3-硝基丙酸是复合物II的不可逆抑制剂，可导致HD样症状。相反，复合体II亚单位的过度表达可以防止携带突变Htt的纹状体神经元的细胞死亡。

最近的研究揭示了HD和线粒体动力学之间的相互作用。经3-硝基丙酸处理的大鼠皮层神经元线粒体分裂和凝缩，可通过抗氧化处理加以预防(74)。同样，过度表达带有74个谷氨酰胺重复序列的突变型Htt（Htt74Q）的HeLa细胞中的线粒体显示线粒体断裂，线粒体融合减少，ATP减少，细胞死亡增加(75)。值得注意的是，显性负性Drp1或Mfn2的表达不仅可以阻止线粒体形态的改变，而且可以恢复ATP水平并减轻细胞死亡。抑制Drp1也可以挽救肌肉细胞中表达Htt74的蠕虫的活动性。

因为增加融合或减少裂变可以部分挽救突变Htt的过度表达，所以突变Htt可能会破坏融合和裂变。然而，目前尚不清楚这种直接关系是否存在。突变体Htt可与线粒体结合(76)，但对Htt的生化功能仍知之甚少。在某些细胞环境中，操纵融合和裂变速率可能会改善线粒体的生理学，即使最初的损伤不是直接针对融合或裂变。突变Htt的表达对线粒体生理学有多重影响，包括呼吸功能障碍和转运减少。Htt72Q转基因小鼠神经元普遍存在转运缺陷(77)包括线粒体异常运动(76–78)。线粒体移动得更慢，停止的频率更高，移动的距离更短。膜电位缺陷、呼吸窘迫和无效转运都是与突变Htt表达相关的形态学缺陷的次要原因。

观点

综上所述，这里回顾的研究清楚地表明，线粒体动力学的扰动直接或间接地涉及人类神经退行性疾病。然而，我们对所涉及的机制的理解充其量仍处于初级阶段。不同疾病模型之间存在许多相互矛盾的数据，尤其是与疾病状态相关的线粒体形态变化以及这些变化的机制。有几个因素可能导致这些差异。首先，线粒体表型的变化表明，尽管PD、AD和HD明显扰乱了线粒体动力学，但这种影响不太可能是由融合和裂变过程中的简单直接影响引起的。其次，越来越清楚的是，有无数因素可以影响线粒体的形状。对于每一种疾病，剖析关键的潜在机制是很重要的。

随着我们对神经退行性疾病如何影响线粒体的了解越来越多，线粒体动力学是一个多因素的过程，已融入细胞生理学。线粒体融合和分裂在控制线粒体形状和功能方面发挥着重要作用。然而，这些相反的过程与线粒体运输和线粒体自噬有相互作用。因此，几个相互关联的因子——融合、裂变、运输和转换——形成了一个复杂的相互作用网络，它控制着线粒体功能，从而控制着细胞的完整性。未来研究的一个挑战是揭示这些相互作用的分子本质。鉴于控制线粒体融合和分裂的基因操作可以改善疾病表型，有令人信服的理由希望人为操纵线粒体动力学的努力(79)将最终导致新的治疗方法。

利益冲突声明。未声明。

基金

作者实验室的工作得到了NIH（GM062967和GM083121）、Ellison医学基金会和HHMI的资助。HHMI提供资金支付本文的开放存取出版费用。

添加注释以证明

Mihara公司(80)和同事最近破坏了小鼠的Drp1，并为线粒体分裂在神经元发育中的作用提供了额外证据。缺少Drp1的胚胎神经元显示线粒体分布不正确，与图一致1增加了对凋亡的敏感性。

参考文献